Una nueva investigación, a raíz de los descubrimientos de ondas gravitacionales, arroja luz sobre los entornos que podrían conducir a eventos de fusión de agujeros negros. El trabajo se presenta esta semana en la Reunión Nacional de Astronomía 2023 por Ph.D. estudiante de la Universidad de Oxford, Connar Rowan.
Las primeras ondas gravitacionales, predichas inicialmente por Albert Einstein en 1916, fueron detectadas desde la Tierra en 2015. Sin embargo, determinar su origen en el cosmos ha sido una incógnita. Para ser detectables a través de distancias tan vastas, las ondas gravitacionales que observamos solo pueden provenir de pares de objetos grandes y altamente densos muy próximos entre sí, como los agujeros negros o las estrellas binarias de neutrones. Ahora ha habido más de 90 detecciones de este tipo, aunque el entorno astrofísico principal que permite que estos objetos se acerquen lo suficiente como para emitir ondas gravitacionales sigue siendo un misterio.
Un entorno posible en el que los agujeros negros pueden sufrir fusiones frecuentes es en los cuásares. Un cuásar es un poderoso núcleo galáctico activo alimentado por un agujero negro supermasivo. Un denso disco de gas gira alrededor de un agujero negro supermasivo cercano a la velocidad de la luz, lo que da como resultado emisiones extremadamente brillantes.
Las interacciones de los agujeros negros de masa estelar con el disco de gas de un agujero negro supermasivo son muy complejas y requieren simulaciones informáticas sofisticadas para ser comprendidas. En la nueva investigación, el equipo de astrónomos de la Universidad de Oxford y la Universidad de Columbia examinó el comportamiento de tales agujeros negros de masa estelar incrustados en el disco. El trabajo sugiere que los agujeros negros de masa estelar podrían ser arrastrados a densos discos de gas de cuásar y forzados a formar sistemas binarios por interacciones gravitatorias entre sí y con el gas en los discos.
El equipo ha realizado simulaciones de alta resolución del disco gaseoso de un cuásar que contiene dos agujeros negros de masa estelar. El objetivo de la simulación es ver si los agujeros negros son capturados en un sistema binario ligado gravitacionalmente y posiblemente se fusionen en un momento posterior dentro del disco de gas. Estas simulaciones utilizan 25 millones de partículas de gas para imitar los complejos flujos de gas durante el encuentro, lo que requiere un tiempo de ejecución computacional de alrededor de tres meses para cada simulación.
Las simulaciones muestran que el gas reduce la velocidad de los agujeros negros durante el encuentro, por lo que los agujeros negros que normalmente simplemente volarían separados permanecen unidos gravitacionalmente, atrapados en órbita alrededor del otro mientras ambos orbitan el agujero negro supermasivo. Esto ocurre a través de una mezcla de tirones gravitacionales entre ellos y las corrientes masivas de gas en el disco y los “mini” discos individuales alrededor de los agujeros negros individuales.
Además, el arrastre directo del gas, análogo a la resistencia del aire, también juega un papel cuando el gas “comido” por los agujeros negros a lo largo de su camino los obliga a desacelerar. En respuesta a la absorción de la energía cinética del agujero negro a través de la interacción gravitatoria, el gas es expulsado violentamente inmediatamente después del encuentro. Este resultado ocurre en la mayoría de las simulaciones y confirma las expectativas previas de que el gas facilita enormemente la captura de agujeros negros en pares enlazados.
También se descubrió que la dirección de la órbita de los agujeros negros afectaba la forma en que evolucionaban. En la mitad de los sistemas binarios retrógrados (sistemas binarios donde los agujeros negros orbitan entre sí en dirección opuesta a su órbita alrededor del agujero negro supermasivo), los agujeros negros podrían acercarse lo suficiente como para producir ondas gravitacionales significativas y disipar muy rápidamente su energía orbital a través de estas ondas. emisiones, fusionándose muy abruptamente.
El líder de investigación Rowan dice: “Estas simulaciones abordan dos preguntas principales: ¿puede el gas catalizar la formación binaria de agujeros negros y, de ser así, pueden finalmente acercarse aún más y fusionarse? Para que este proceso explique el origen de las señales de ondas gravitacionales observadas, ambas respuestas necesitan ser sí”.
“Estos resultados son increíblemente emocionantes, ya que validan que pueden ocurrir fusiones de agujeros negros en discos de agujeros negros supermasivos, y posiblemente expliquen muchas o quizás la mayoría de las señales de ondas gravitacionales que observamos hoy”, dijo el profesor Bence Kocsis, coautor del artículo de investigación. .
“Si una fracción considerable de los eventos observados, ya sea hoy o en el futuro, es causado por este fenómeno, deberíamos poder ver una asociación directa entre los cuásares y las fuentes de ondas gravitacionales en el cielo”, agrega el profesor Zoltán Haiman de la Universidad de Columbia. , otro coautor del trabajo de investigación.
Con información de Phys.org
